KR20040021472A - 조명 광학계 및 이를 채용한 화상 표시장치 - Google Patents

Abstract

램프형 광원과, 적어도 일부 영역에 이중 반사 미러 어레이가 형성되어 램프형 광원에서 출사된 광의 적어도 일부의 발산 방향을 조절하여 광효율을 높일 수 있도록 된 반사 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 광학계 및 이를 채용한 화상 표시장치가 개시되어 있다.

개시된 반사 미러 디바이스를 이용하여 램프형 광원에서 출사된 광의 적어도 일부의 발산 방향을 조절하면, 광효율을 높일 수 있으므로 고효율 조명 광학계 및 고효율 프로젝션 타입 화상 표시장치를 실현할 수 있다.

Description

조명 광학계 및 이를 채용한 화상 표시장치{Light illumination system and display device employing it}

본 발명은 조명 광학계 및 이를 채용한 화상 표시장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광효율을 증가시킬 수 있도록 된 고효율 조명 광학계 및 이를 채용한 화상 표시장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

프로젝션 타입의 화상 표시 장치는 광원으로부터 출사된 광을 LCD(Liquid Crystal Display)나 DMD(Digital Micro Display)와 같은 마이크로 디스플레이 즉, 광 밸브(light valve)에 집속하고, 그 광을 화소단위로 제어하여 화상을 형성하고, 이를 투사 광학계를 사용하여 스크린에 확대 투사하여 대화면을 제공하는 시스템이다.

이러한, 화상 표시장치에서는 광을 얼마나 효율적으로 라이트 밸브에 모아주는가에 따라 화상의 밝기가 달라진다.

종래의 조명 광학계는 램프형 광원에서 출사되는 광을 직사각형 형상의 라이트 밸브에 균일하고 효율적으로 집광하기 위해 파리눈 렌즈(fly-eye lens)나 글래스 로드(glass rod)를 구비한다.

램프형 광원을 광원으로 채용한 종래의 조명 광학계에 있어서, 문제가 되는 것은, 램프형 광원에서 출사된 광을 그대로 파리눈 렌즈나 글래스 로드(glass rod)에 입사시키기 때문에, 광효율이 낮다는 것이다.

즉, 램프형 광원에서는 원형의 광이 출사된다. 반면에, 파리눈 렌즈나 글래스 로드는 직사각형 형상인 라이브 밸브에 대응되게 직사각형을 이루도록 되어 있다.

따라서, 원형의 광을 직사각형 형상의 파리눈 렌즈나 글래스 로드에 매칭시키는 것은 광손실을 초래하게 된다.

예를 들어, 램프형 광원에서 나온 광은 첫 번째 파리눈 렌즈를 통과한 후 두 번째 파리눈 렌즈에 광스폿으로 형성되는데, 이 광스폿이 두 번째 파리눈 렌즈보다 크면, 이 두 번째 파리눈 렌즈를 벗어나는 부분의 광은 손실되어 광효율이 감소하게 된다.

또한, 첫 번째 파리눈 렌즈에 의해 형성된 광스폿이 두 번째 파리눈 렌즈를 벗어나지 않게 하려면, 첫 번째 파리눈 렌즈의 파워를 키우고, 첫 번째 파리눈 렌즈와 두 번째 파리눈 렌즈 사이의 거리를 짧게 해야 하는데, 이 경우 라이트 밸브의 유효 면적이 좁아진다. 그런데, 라이브 밸브의 면적이 좁아지면 광을 집광하기가 어려워져 광효율이 저하된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 램프형 광원에서 출사된 광의 발산 방향을 조절하여 광효율을 높일 수 있도록 된 고효율 조명 광학계 및 이를 채용한 프로젝션 타입 화상 표시장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 프로젝션 타입 화상 표시장치의 광원으로 사용되는 램프형 광원을 개략적으로 보인 도면,

도 2는 램프형 광원에서 타원형으로 퍼지는 발산각 분포를 갖는 많은 수의 발광체가 축 대칭으로 분포된 대략적인 원형 광이 출사됨을 보인 도면,

도 3은 램프형 광원에 출사된 광이 편광 정렬기를 거쳐 파리눈 렌즈(fly-eye lens)에 입사된 경우의 발광체의 축 대칭 발산각 분포 및 광량 분포를 보인 도면,

도 4는 본 발명에 따른 고효율 조명 광학계의 주요 구성을 개략적으로 보인 사시도,

도 5는 도 4의 반사 미러 디바이스의 단면도,

도 6은 이중 반사 미러에서의 타원형 광의 회전을 보인 도면,

도 7a는 본 발명에 따른 반사 미러 디바이스 전,후에 실린더 렌즈 어레이 2매를 사용했을 때의 발산각 축 회전을 보인 도면,

도 7b는 램프형 광원에서 출사된 광의 발산각 분포 및 본 발명에 따른 반사 미러 디바이스에 의한 축 정렬 후의 광 발산각 분포를 개략적으로 보인 도면,

도 8은 본 발명에 따른 반사 미러 디바이스에 의해, 램프형 광원에서 출사된원형의 광을 타원형 또는 타원형에 가까운 광으로 바꾸어줄 수 있음을 보인 도면,

도 9는 본 발명에 따른 고효율 조명 광학계를 적용한 프로젝션 타입의 화상 표시장치의 제1실시예를 보인 도면,

도 10은 본 발명에 따른 고효율 조명 광학계를 적용한 프로젝션 타입의 화상 표시장치의 제2실시예를 보인 도면,

도 11은 본 발명에 따른 고효율 조명 광학계를 적용한 프로젝션 타입의 화상 표시장치의 제3실시예를 보인 도면,

도 12는 도 11의 화상 표시장치에 적용되는 스파이럴 렌즈의 구조를 개략적으로 보인 도면,

도 13은 도 12의 스파이럴 렌즈의 렌즈셀의 일 실시예를 보인 단면도,

도 14는 광원에서 출사된 광이 제1실린더 렌즈를 통과하지 않고 그대로 스파이럴 렌즈에 입사될 때와 광원에서 출사된 광이 제1실린더 렌즈에 의해 그 폭이 감소된 상태에서 스파이럴 렌즈의 입사될 때의 광빔의 폭 차이를 비교하여 보인 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1...램프형 광원 3...반사경

5...발광체 10...반사 미러 디바이스

10a,10b,10c,10d....제1 내지 제4반사 영역

11...이중 반사 미러 어레이 30...조명 광학계

31...집속렌즈 33...글래스 로드

35,137...릴레이 렌즈 37,140...라이트 밸브

41,43,131,135...파리눈 렌즈 105,107...실린더 렌즈

110...스파이럴 렌즈 120...색광 분리기

120R,120G,120B...이색 필터

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 조명 광학계는, 램프형 광원과; 적어도 일부 영역에 이중 반사 미러 어레이가 형성되어, 상기 램프형 광원에서 출사된 광의 적어도 일부의 발산 방향을 조절하여 광효율을 높일 수 있도록 된 반사 미러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 반사 미러는, 회전 방향으로 제1 내지 제4반사영역이 배치되어 있으며, 제1 및 제3반사영역 또는 제2 및 제4반사영역에 이중 반사 미러 어레이가 형성된 것이 바람직하다.

상기 반사 미러는 상기 램프형 광원쪽에서 출사된 광의 적어도 일부의 발산 방향을 조절하여 타원형 또는 타원형에 가까운 광이 되도록 하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 이중 반사 미러 어레이의 미러면 각도는 45도인 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 화상 표시장치는, 램프형 광원과, 적어도 일부 영역에 이중 반사 미러 어레이가 형성되어, 상기 램프형 광원에서 출사된 광의 적어도 일부 발산 방향을 조절하여 광효율을 높일 수 있도록 된 반사 미러를 포함하는 조명 광학계와; 상기 광원으로부터 출사되고 상기 반사 미러에 의해 반사되어 조사되는 광을 입력된 화상신호에 따라 화소 단위로 제어하여 화상을 형성하는 라이트 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 반사 미러 디바이스와 라이트 밸브 사이에 광혼합 디바이스와 릴레이 렌즈를 더 구비할 수 있다.

여기서, 상기 광혼합 디바이스는 글래스 로드이고, 상기 반사 미러 디바이스를 경유한 광을 집속하여 상기 글래스 로드로 입력되도록 하는 집속렌즈를 더 구비할 수 있다.

또는, 상기 광혼합 디바이스는 2매의 파리눈 렌즈를 구비할 수도 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 램프형 광원에서 출사된 광을 파장에 따라 분리하는 색광 분리기;를 더 구비하여, 상기 칼라 화상을 형성하도록 된 것이 바람직하다.

여기서, 상기 색광 분리기는 적어도 3개 이상의 이색 필터로 이루어지고, 회전시 렌즈 어레이의 직선운동 효과를 낼 수 있도록 렌즈셀 어레이가 나선형으로 형성되어 스크롤링 작용을 하도록 된 스파이럴 렌즈;를 더 구비하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 고효율 조명 광학계 및 이를 채용한 프로젝션 타입 화상 표시장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 프로젝션 타입 화상 표시장치의 광원으로 사용되는 램프형 광원을 개략적으로 보여준다.

도 1에 도시된 바와 같이, 램프형 광원(1)은 광을 한쪽 방향으로 진행되도록 하기 위한 반사경(3)을 구비하며, 예를 들어, 아크 방전에 의해 광을 발생시킨다. 아크 방전 영역(5')에서 발생된 광 중 일부는 반사경(3)쪽으로 입사되고,반사경(3)을 이 광을 반사시켜 한쪽 방향으로 진행되도록 한다.

램프형 광원(1)에서는 상기 반사경(3)의 형태에 따라 대략적으로 평행광 또는 집속광이 출력된다. 예를 들어, 상기 반사경(3)이 포물경인 경우, 대략 평행광이 출력되며, 상기 반사경(3)이 타원경인 경우, 대략 집속광이 출력된다.

상기 아크 방전 영역(5')은 대략 타원형이고, 이 아크 방전 영역(5')에서 발생된 광은 사방으로 퍼진다. 따라서, 상기 아크 방전 영역(5')은 타원형의 발광체(5)로서 작용을 하게 된다.

결과적으로 램프형 광원(1)에서는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 타원형으로 퍼지는 발산각 분포를 갖는 많은 수의 발광체(5)가 축 대칭으로 분포된 대략적인 원형 광(1a')이 출사된다. 상기 발광체(5)의 주 발산 방향은 타원형의 장축 방향이고, 이 타원형의 장축 방향이 축 대칭으로 분포되어 있다. 도 2에서 발광체(5)내의 화살표가 주 발산 방향인 장축 방향을 나타낸다.

도 2 및 도 3에 보여진 바와 같이 발광체(50)의 발산각 및 광량이 축대칭으로 분포되는 것은 램프형 광원(1)에서, 아크 방전에 의해 광이 발생되는 아크(arc)의 크기에 기인한다. 이때, 발광체(5)의 발산각이 큰 방향과 작은 방향이 2.5:1 정도의 비율이 된다.

도 3은 램프형 광원(1)에서 출사된 광이 편광 정렬기(미도시)를 거쳐 파리눈 렌즈(fly-eye lens)에 입사된 경우의 발광체(5)의 축 대칭 발산각 분포 및 광량 분포를 보여준다. 도 3에서 각 단위 셀은 편광 정렬기의 일 편광 빔스프리터 영역에 대응되며, 2개의 단위 셀이 파리눈 렌즈의 각 렌즈 셀에 해당한다. 여기서, 편광정렬기는 램프형 광원(1)에서 출사된 광(1a')의 편광 방향을 한 방향으로 정렬하기 위한 것으로, 이 편광 정렬기에 대해서는 본 기술분야에서 잘 알려져 있으므로, 여기서는 자세한 설명 및 도시를 생략한다.

상기와 같이 램프형 광원(1)에서 타원형으로 퍼지는 발산각 분포를 갖는 많은 수의 발광체(5)가 축 대칭으로 분포된 대략적인 원형 광(1a')이 출사되는 점을 고려하여, 본 발명에 따른 고효율 조명 광학계는 림프형 광원(1)에서 출사되는 원형 광(1a')의 발산 방향을 조절하여 타원형 또는 타원형에 가까운 광으로 바꾸어주여, 이 광과 본 발명에 따른 고효율 조명 광학계를 채용한 광학 시스템의 구성요소와의 매칭효율을 증가시킬 수 있도록 된 점에 특징이 있다.

도 4는 본 발명에 따른 고효율 조명 광학계의 주요 구성을 개략적으로 보인 사시도이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 조명 광학계는, 램프형 광원(1)과, 적어도 일부 영역에 이중 반사 미러 어레이가 형성된 반사 미러 디바이스(10)를 포함한다.

상기 램프형 광원(1)에서는 도 1 내지 도 3을 참조로 앞서 설명한 바와 같이, 타원형 발산각 분포를 갖는 다수의 타원형 발광체(5)가 축 대칭으로 분포되어, 원형의 광(1a')이 출사된다.

상기 램프형 광원(1)의 반사경(3)은 평행광을 출사할 수 있도록 포물선경인 것이 바람직하다.

상기 반사 미러 디바이스(10)는 램프형 광원(1)에서 출사된 광(1a')의 적어도 일부 발산 방향을 조절하여 광효율을 높일 수 있도록 적어도 일부 영역에 이중반사 미러 어레이(11)가 형성되어 있다.

상기 반사 미러 디바이스(10)는 회전 방향으로 배치된 제1 내지 제4반사 영역(10a)(10b)(10c)(10d)을 구비하며, 상기 제2 및 제4반사영역(10b)(10d)(또는 제1 및 제3반사 영역(10a)(10c))에 이중 반사 미러 어레이(11)가 형성된 구조로 되어 있다. 도 4는 제2 및 제4반사 영역(10b)(10d)에 이중 반사 미러 어레이(11)가 형성되고, 제1 및 제3반사 영역(10a)(10c)은 평평한 미러면으로 된 예를 보여준다.

여기서, 회전 방향은 반시계 방향 또는 시계 방향을 의미하며, 제1 내지 제4반사 영역(10a)(10b)(10c)(10d)이 회전 방향으로 배치되었다는 것은, 제1 내지 제4반사 영역(10a)(10b)(10c)(10d)이 2×2 행렬 배치를 가지며, 제1 내지 제4반사 영역(10a)(10b)(10c)(10d)의 배치 순서가 회전 방향을 따른 다는 것을 의미한다.

상기 이중 반사 미러 어레이(11)의 미러면(11a) 각도는 도 5에 보여진 바와 같이, 반사 미러 디바이스(10)의 평면 예컨대, 이중 반사 미러 어레이가 형성되지 않은 제1 및 제3반사 영역(10a)(10c)면에 대해 대략 45도의 각도를 이루도록 된 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 반사 미러 디바이스(10)를 이용하면, 타원형으로 퍼지는 발산각 분포를 가지며 축 대칭으로 분포된 발광체(5)의 장축 방향 즉, 발산 방향을 어느 정도 한쪽 방향으로 정렬시키는 것이 가능하다.

도 6은 이중 반사 미러(20)에서의 타원형 광(21)의 회전을 보여준다.

도 6에 보여진 바와 같이, 타원형 광(21)의 축 방향(23)과 이중 반사 미러(20)의 미러면(22a)(22b) 사이를 분리하는 축(25) 방향이 일치하지 않으면, 타원형 광(21)이 이중 반사 미러(20)에 입사되고 2번 반사되어 나오면서, 상기 타원형 광(21)의 축 방향(23)과 미러면(22a)(22b) 사이를 분리하는 축(25) 방향이 차이나는 각도의 2배만큼 타원형 광(21)의 축(23)이 회전된다.

따라서, 본 발명에 따른 반사 미러 디바이스(10)의 이중 반사 미러 어레이(11)의 길이 방향(13)을 도 7a 및 도 7b에서와 같이, 광의 발산각 축을 정렬시킬 방향과 타원형 발산각 분포를 갖는 타원형 발광체(5)의 타원형 발산각의 축 방향(15)의 중간으로 정하면, 축 대칭 분포를 갖는 발산각 분포의 일부가 한쪽 방향으로 정렬되어, 상기 반사 미러 디바이스(10)를 경유한 후의 광(1a)이 타원형 또는 타원형에 가까운 모양이 될 수 있다.

도 7a는 본 발명에 따른 반사 미러 디바이스(10) 전,후에 실린더 렌즈 어레이(17)(19) 2매를 사용했을 때의 발산각 축 회전을 보여준다.

도 7b는 램프형 광원(1)에서 출사된 광의 발산각 분포 및 본 발명에 따른 반사 미러 디바이스(10)에 의한 축 정렬 후의 광 발산각 분포를 개략적으로 보여준다.

상기와 같이 램프형 광원(1)에서 출사된 광(1a')의 발산 방향을 반사 미러 디바이스(10)에 의해 조절해주면, 도 8에 도시된 바와 같이, 길쭉한 타원형의 광스폿을 형성할 수 있다. 도 8은 본 발명에 따른 반사 미러 디바이스(10)에 의하면, 램프형 광원(1)에서 출사된 원형의 광(1a')을 타원형 또는 타원형에 가까운 광(1a)으로 바꾸어줄 수 있는지를 확인하기 위해, 반사 미러 디바이스(10)를 경유한 광을 소정의 렌즈(27)에 의해 집속시켜 광스폿을 형성하여 보인 것이다.

상기와 같은 본 발명에 따른 조명 광학계에 의하면, 램프형 광원(1)에서 출사된 원형의 광(1a')을 타원형 또는 타원형에 가까운 광(1a)으로 바뀌므로, 이를 채용하면, 프로젝션 타입의 화상 표시장치의 구성 요소 예컨대, 직사각형 형상의 파리눈 렌즈나 글래스 로드 등에 효율적으로 매칭될 수 있어 광효율이 높아진다.

이때, 반사 미러 디바이스(10)에 의해 발산 방향이 조절되어 타원형 또는 타원형에 가까워진 광(1a)의 장축 방향과 조명 광학계 또는 프로젝션 타입의 화상 표시장치를 구성하는 구성 요소의 폭이 넓은 방향 예컨대, 직사각형 형상의 파리눈 렌즈또는 글래스 로드의 넓은 폭 방향이 일치하도록 광학계를 배치하면 된다.

도 9는 본 발명에 따른 고효율 조명 광학계를 적용한 프로젝션 타입의 화상 표시장치의 제1실시예를 보여준다.

도면을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 프로젝션 타입의 화상 표시장치는, 조명 광학계(30)와, 광혼합디바이스로서 글래스 로드(33)와, 라이트 밸브(37)를 구비한 점에 특징이 있다. 또한, 본 발명의 제1실시예에 따른 프로젝션 타입의 화상 표시장치는, 집속렌즈(31)와, 릴레이 렌즈(35)를 더 구비하는 것이 바람직하다.

상기 조명 광학계(30)는 전술한 바와 같이, 램프형 광원(1)과, 이 램프형 광원(1)에서 출사된 광의 발산 방향을 조절하기 위한 반사 미러 디바이스(10)를 구비한다.

상기 집속렌즈(31)는 상기 반사 미러 디바이스(10)를 경유한 광을 집속하여 글래스 로드(33)로 입사되도록 한다.

이때, 상기 조명 광학계(30)가 램프형 광원(1)에서 출사된 원형의 광(1a')을 발산 방향을 조절하여 대략 타원형 또는 타원형에 가까운 광(1a)으로 바꾸어주므로, 이를 집속렌즈(31)에 의해 집속하면 길쭉한 타원형 광스폿이 형성된다.

따라서, 상기 조명 광학계(30)는 상기 타원형 광스폿이 그 장축이 상기 글래스 로드(33)의 입사면의 넓은 변과 나란하게 형성되도록 광학적으로 정렬되는 것이 바람직하다. 이 경우, 조명 광학계(30)에서 출력된 광이 글래스 로드(33)에 효율적으로 매칭되기 때문에, 광효율을 좋게 할 수 있다.

상기 글래스 로드(33)는 입사된 광(1a)의 분포를 균일하게 만들어 출력시키며, 릴레이 렌즈(35)는 글래스 로드(33)에 의해 균일화된 광을 라이트 밸브(37)로 전달한다.

상기 라이트 밸브(37)는 조사된 광을 입력된 화상 신호에 따라 화소 단위로 제어하여 화상을 형성한다.

상기 라이트 밸브(37)에 의해 형성된 화상은 투사 렌즈유니트(미도시)에 의해 스크린으로 투사된다.

상기와 같이, 화상을 형성하고 형성된 화상을 투사시키기 위한 광학계 구조는 다양하게 변형될 수 있다. 상기와 같이 광 혼합 디바이스를 구비하는 프로젝션 타입의 화상 표시장치에 적용되는 화상 형성/투사부에 대해서는 본 발명의 기술분야에서 잘 알려져 있으므로, 여기서는 화상 형성/투사부의 광학적 구성에 대한 자세한 설명 및 도시를 생략한다.

여기서, 본 발명의 제1 및 제2실시예에 따른 화상 표시장치의 조명광학계(30) 및 광혼합 디바이스를 제외한 나머지 광학적 구성은 다양하게 변형될 수 있다.

도 10은 본 발명에 따른 고효율 조명 광학계를 적용한 프로젝션 타입의 화상 표시장치의 제2실시예를 보여준다.

본 발명의 제2실시예에 따른 프로젝션 타입의 화상 표시장치는, 광혼합 디바이스로서 2매의 파리눈 렌즈(41)(43)를 구비하는 점을 제외하고는, 도 9를 참조로 설명한 본 발명의 제1실시예에 따른 프로젝션 타입의 화상 표시장치와 동일 또는 유사한 광학적 구성을 가진다. 여기서는, 도 9에서와 동일 또는 유사한 기능을 하는 부재는 동일 참조부호로 표시하고, 반복적인 설명을 생략한다.

본 발명의 제2실시예에서와 같이 광혼합 디바이스로 2매의 파리눈 렌즈(41)(43)를 구비하는 경우에는, 파리눈 렌즈(41)(43)의 단면적이 글래스 로드(33)의 단면적에 비해 크기 때문에 집속렌즈(도 9의 31)를 생략시킬 수 있는 이점이 있다.

본 실시예의 경우에도, 조명 광학계(30)에서 출력된 광이 광혼합 디바이스인 파리눈 렌즈(41)(43)에 효율적으로 매칭될 수 있도록, 상기 조명 광학계(30)는 그 조명 광학계(30)로부터 출사되는 타원 또는 타원형에 가까운 광(1a)의 장축이 파리눈 렌즈(41)(43)의 넓은 변과 나란하도록 광학적으로 정렬되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제2실시예에 따른 화상 표시장치는 본 발명의 제1실시예에 따른 화상 표시장치의 경우와 마찬가지로, 라이트 밸브(37)를 포함한 화상 형성하고, 형성된 화상을 투사시키는 광학계 구조가 다양하게 변형될 수 있다.

한편, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 고효율 조명 광학계는 도 11에 보여진 바와 같이 적어도 3개의 이색 필터로 이루어진 색광 분리기를 구비하는 단판식 칼라 화상 표시장치에 적용될 수도 있다.

도 11은 본 발명에 따른 고효율 조명 광학계를 채용한 프로젝션 타입의 화상 표시장치의 제3실시예를 보여준다.

도면을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 화상 표시장치는, 조명 광학계(30)와, 상기 램프형 광원(1)쪽에서 입사되는 광을 색광별로 분리하기 위한 색광 분리기(120)와, 조사되는 광을 입력된 화상신호에 따라 화소 단위로 제어하여 화상을 형성하는 라이트 밸브(140)를 포함하여 구성되며, 단일 라이트 밸브(140)를 이용하여 칼라 화상을 구현할 수 있도록 된 점에 특징이 있다.

상기 조명 광학계(30)는, 전술한 바와 같이, 램프형 광원(1)에서 출사된 광(1a')의 발산 방향을 일부 영역에 이중 반사 미러 어레이(11)가 형성된 반사 미러 디바이스(10)(10)를 이용하여 조절하여, 대략 타원형 또는 타원형에 가까운 광(1a)을 출사하도록 되어 있다.

상기 색광 분리기(120)는 상기 조명 광학계(30) 쪽에서 입사되는 광(1a)을 파장에 따라 분리하도록 적어도 3개의 이색 필터로 이루어진다.

도 11은 상기 색광 분리기(120)가 청색광(B), 녹색광(G), 적색광(R)을 각각 반사시키도록 된 반사 타입의 제1 내지 제3이색 필터(120B)(120G)(120R)로 이루어진 예를 보여준다. 상기 제1 내지 제3이색 필터(120B)(120G)(120R)는 청색광(B), 녹색광(G), 적색광(R)은 각각 반사시키고 나머지 색광은 투과시키도록 마련되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 3개의 이색 필터(120B)(120G)(120R)로 이루어진 색광 분리기(120)에 조명 광학계(30)쪽에서 백색광이 입사되면, 예를 들어, 제1이색 필터(120B)는 입사되는 백색광 중 청색광(B)을 반사시키고 나머지 색광은 투과시킨다. 제2이색 필터(120G)는 제1이색 필터(120B)를 투과한 광 중 녹색광(G)을 반사시키고, 나머지 색광 즉, 적색광(R)을 반사시킨다. 제3이색 필터(120R)는 제2이색 필터(120G)를 투과한 적색광(R)을 반사시킨다.

여기서, 상기 제1 내지 제3이색 필터(120B)(120G)(120R)의 배치 순서는 다양하게 변형될 수 있다.

한편, 상기 제1 내지 제3이색 필터(120B)(120G)(120R) 사이의 간격은 색광 분리기(120)에 의해 분리된 청색광(B), 녹색광(G), 적색광(R)이 후술하는 제1파리눈 렌즈(131)의 동일 렌즈셀에 서로 섞이지 않고 들어갈 수 있도록 정해지는 것이 바람직하다.

도 11에서는 색광 분리기(120)의 제1 내지 제3이색 필터(120B)(120G)(120R)가 서로 평행을 이루는 예를 보여주는데, 상기 제1 내지 제3이색 필터(120B)(120G)(120R)는 서로 기울어지게 배치되는 것도 가능하다.

한편, 본 발명의 제3실시예에 따른 화상 표시장치는, 칼라 스크롤링(color scrolling) 기술을 적용하기 위한 구성을 더 구비하는 것이 바람직하다. 칼라 스크롤링 기술을 적용하면, 3판식과 같은 광효율을 달성할 수 있는 단판식 칼라 화상 표시장치를 실현할 수 있는 이점이 있다.

칼라 스크롤링(color scrolling)은 백색광을 다수의 색광으로 분리하여 이를 동시에 라이트 밸브 상의 서로 다른 위치로 보내 주어 다수의 칼라바를 형성하고, 특정한 방법으로 이 칼라바들을 일정한 속도로 움직여주어, 한 화소당 다수의 색광이 모두 도달해서 칼라 화상이 형성되도록 하는 기술이다.

따라서, 본 발명의 제3실시예에 따른 화상 표시장치는 칼라 스크롤링(color scrolling)을 위해 예컨대, 스파이럴 렌즈(spiral lens:110)를 더 구비하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 스파이럴 렌즈(110)와 라이트 밸브(140) 사이의 광로 상에는 제1 및 제2파리눈 렌즈(Fly-eye lens:131,135)가 더 구비되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제2파리눈 렌즈(135)와 라이트 밸브(140) 사이에는 릴레이 렌즈(137)가 더 구비되는 것이 바람직하다.

상기 스파이럴 렌즈(110)는 도 12에 보여진 바와 같이, 회전시 렌즈 어레이의 직선운동 효과를 낼 수 있도록 렌즈셀(111) 어레이가 나선형으로 형성된 디스크 구조로 되어 있다. 상기 렌즈셀(111)은 등간격으로 형성되고, 렌즈셀(111)의 단면 형상은 서로 동일한 것이 바람직하다.

예를 들어, 상기 스파이럴 렌즈(110)의 렌즈셀(111)은 도 13에 보여진 바와 같이 그 단면이 원호 형상인 실린더형 렌즈셀일 수 있다. 대안으로, 상기 스파이럴 렌즈(110)의 렌즈셀(111)은 회절광학소자 또는 홀로그램 광학소자 타입으로 형성될 수도 있다.

상기 스파이럴 렌즈(110)의 각 렌즈셀(111)은 조명 광학계(30)쪽에서 입사되는 광(1a)을 집속시키는 집속렌즈로서 기능을 한다.

상기와 같은 나선형의 렌즈셀(111) 어레이를 구비하는 스파이럴 렌즈(110)를 모터로 회전 구동할 때, 나선형 렌즈셀(111) 어레이의 회전운동이 렌즈 어레이의 직선운동 효과를 내어 스크롤링 작용을 하게 된다.

즉, 렌즈셀(111) 어레이가 나선형으로 형성되어 있기 때문에, 스파이럴 렌즈(110)를 일정 속도로 회전시켜 주면, 스파이럴 렌즈(110)의 일정 위치를 통과하는 광빔(L)을 기준으로 볼 때, 예를 들어, 실린더형 렌즈 어레이가 일정한 속도로 계속적으로 위 또는 아래로 이동하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있다. 이때, 스파이럴 렌즈(110)를 통과하는 광빔(L)의 폭이 좁으면, 이 광빔(L)이 직선 운동하는 실린더형 렌즈 어레이를 통과하는 것과 같은 효과를 낼 수 있다.

따라서, 스파이럴 렌즈(110)를 일정한 속도로 회전시켜주면 상기 색광 분리기(120)에 의해 분리된 색광들이 이 스파이럴 렌즈(110)의 회전에 따라 반복적으로 스크롤링되고, 이에 따라, 라이트 밸브(140) 상에서 칼라바가 스크롤링된다.

이때, 상기와 같이 스파이럴 렌즈(110)를 구비하는 경우에는, 스파이럴 렌즈(110)의 회전 방향을 변경할 필요 없이 계속 한 방향으로 회전시켜 스크롤링을 구현할 수 있으므로, 칼라 스크롤링의 연속성과 일관성을 유지할 수 있고, 하나의 스파이럴 렌즈(110)에 의해 칼라바를 스크롤링시키므로 칼라바의 스크롤링 속도를 일정하게 유지하는데 유리한 이점이 있다.

여기서, 상기 스파이럴 렌즈(110)에서 나선형의 렌즈셀(111) 개수 또는 스파이럴 렌즈(110)의 회전 속도는 라이트 밸브(140)의 동작 주파수와 동기를 맞추기위해 조절될 수 있다.

예를 들어, 라이트 밸브(140)의 동작 주파수가 빠르면, 더 많은 렌즈셀(111)을 구비함으로써 스파이럴 렌즈(110)의 회전 속도는 일정하게 하면서 스크롤링 속도를 더 빠르게 조절하거나, 렌즈셀(111)의 개수는 동일하게 유지하고 스파이럴 렌즈(110)의 회전 주파수를 높임으로써 스크롤링 속도를 더 빠르게 조절할 수 있다.

여기서, 도 11에서는 본 발명의 제3실시예에 따른 화상 표시장치가 1매의 스파이럴 렌즈(110)를 구비하는 것으로 도시되어 있는데, 필요에 따라 2매의 스파이럴 렌즈(110)를 구비하는 것도 가능하다. 2매의 스파이럴 렌즈(110)를 구비하는 경우에도, 2매의 스파이럴 렌즈(110)를 동일 구동축 상에 설치하여 칼라 스크롤링을 구현할 수 있으므로, 칼라바의 스크롤링 속도를 일정하게 유지할 수 있다.

상기 색광 분리기(120)를 구성하는 이색 필터들이 서로 평행한 경우에는 상기 스파이럴 렌즈(110)는 도 11에 도시된 바와 같이, 조명 광학계(30)와 색광 분리기(120) 사이에 배치되어, 스파이럴 렌즈(110)에 의해 집속된 광이 색광 분리기(120)에 의해 분리되면서, 각 이색 필터에서의 선택적 반사에 기인한 색광별 광경로 길이에 차이에 의해, 서로 다른 색광들이 서로 섞이지 않고 제1파리눈 렌즈(131)에 들어갈 수 있도록 된 것이 바람직하다.

여기서, 상기 색광 분리기(120)를 구성하는 이색 필터들이 서로 기울어지게 배치되고, 상기 스파이럴 렌즈(110)는 색광 분리기(120)와 라이트 밸브 사이에 배치되는 것도 가능하다.

상기 제1 및 제2파리눈 렌즈(131)(135)는 각 렌즈셀이 서로 1:1로 대응되며,스파이럴 렌즈(110)의 각 렌즈셀(111)과도 1:1로 매칭되도록 되어 있다.

상기 제1파리눈 렌즈(131)는 스파이럴 렌즈(110)를 경유하고 색광 분리기(120)에 의해 분리된 색광들이 서로 섞이지 않은 상태로 맺히도록, 스파이럴 렌즈(110)의 초점면에 위치하는 것이 바람직하다.

이 경우, 집속렌즈로서 기능을 하는 스파이럴 렌즈(110)의 각 렌즈셀(111)에 의해 집속되고, 색광 분리기(120)에 의해 분리되며 서로 이격되어 있는 이색 필터들에 의한 광 경로 길이에 차이가 생긴 색광들은 제1파리눈 렌즈(131)의 렌즈셀의 서로 다른 위치에 초점을 맺게 된다.

상기 제1파리눈 렌즈(131)를 통과한 색광들은 발산광 형태로 바뀌어 제2파리눈 렌즈(135)에 서로 합성되어 입사되고, 제2파리눈 렌즈(135)에 의해 평행광 형태로 바뀐다.

상기 릴레이 렌즈(137)는 제1 및 제2파리눈 렌즈(131)(135)를 경유한 평행광 형태의 색광들이 라이트 밸브(140) 상의 서로 다른 위치에 결상되어 색광별 칼라바로 형성되도록 한다. 도 11에서는 상기 릴레이 렌즈(137)가 단 렌즈로 된 것으로 도시되어 있는데, 이 릴레이 렌즈(137)는 2매 이상의 렌즈군으로 이루어질 수도 있다.

상기와 같이 제1 및 제2파리눈 렌즈(131)(135)와 릴레이 렌즈(137)를 구비하는 경우, 스파이럴 렌즈(110)에 의해 집광된 광은 제1 및 제2파리눈 렌즈(131)(135)에 의해 1:1 전송되고, 릴레이 렌즈(137)에 의해 라이트 밸브(140) 상에 색광별 칼라바로 결상된다.

상기 라이트 밸브(140)는, 예컨대, R,G,B 칼라바 형태로 조사되는 색광들을 입력되는 화상신호에 따라 제어하여 칼라 화상을 형성한다.

라이트 밸브(140)에 맺히는 색광별 칼라바 예컨대, R,G,B 칼라바는 스파이럴 렌즈(110)의 회전에 따라 스크롤링된다. 따라서, 이 색광별 칼라바의 이동과 동기시켜 상기 라이트 밸브(60)의 각 화소에 대한 화상 정보를 처리하면, 칼라 화상이 형성된다. 라이트 밸브(140)에 의해 형성된 칼라 화상은 투사렌즈유니트(미도시)에 의해 확대되어 스크린(미도시)에 맺힌다.

한편, 본 발명의 제3실시예에 따른 단판식 칼라 화상 표시장치는, 스파이럴 렌즈(110)에 입사되는 광빔의 폭을 조절할 수 있도록 상기 스파이럴 렌즈(110)의 전,후에 제1 및 제2실린더 렌즈(105)(107)를 더 구비하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 조명 광학계(30)는 그로부터 출사되는 타원형 또는 타원형에 가까운 광(1a)의 장축 방향이 상기 제1실린더(105)의 길이 방향과 나란하도록 배치되는 것이 바람직하다.

상기 제1실린더 렌즈(105)는 조명 광학계(30)에서 출사된 광빔의 폭을 줄여 스파이럴 렌즈(110)에 입사되도록 하며, 상기 제2실린더 렌즈(107)는, 스파이럴 렌즈(110)를 통과한 광을 다시 원상태로 복귀시키는 역할을 한다.

도 14는 상기 조명 광학계(30)에서 출사된 광(1a)이 제1실린더 렌즈(105)를 통과하지 않고 그대로 스파이럴 렌즈(110)에 입사될 때와 조명 광학계(30)에서 출사된 광(1a)이 제1실린더 렌즈(105)에 의해 그 폭이 감소된 상태에서 스파이럴 렌즈(110)의 입사될 때의 광빔의 폭 차이를 비교하여 보인 도면이다.

도 14의 좌측 부분에 보여진 바와 같이, 조명 광학계(30)에서 출사된 광(1a)이 제1실린더 렌즈(105)를 통과하지 않아 스파이럴 렌즈(110)를 통과할 때의 광빔(L')의 폭이 비교적 넓을 때에는, 스파이럴 렌즈(110)의 렌즈셀의 나선형 형상으로 인해, 광빔(L')의 형상과 렌즈셀의 형상이 크게 불일치하여 광손실이 초래되게 된다.

하지만, 도 14의 우측 부분에 보여진 바와 같이, 제1실린더 렌즈(105)를 이용하여 광빔의 폭을 줄여주면, 광빔(L)이 스파이럴 렌즈(110)를 좁은 폭 영역내에서 통과하기 때문에, 상대적으로 스파이럴 렌즈(110)의 렌즈셀의 나선형 형상과 광빔의 형상이 거의 일치될 수 있어, 광손실을 줄일 수 있다.

즉, 상기와 같이 한쌍의 실린더 렌즈(105)(107)를 이용하여 빔의 폭을 조절하면, 광손실을 줄일 수 있다.

본 발명에 따른 조명 광학계를 채용한 화상 표시장치의 광학적 구성은 이상에서 설명한 실시예들 이외에도, 청구범위의 기술적 사상의 범위내에서 다양한 변형될 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 적어도 일부 영역에 이중 반사 미러 어레이가 형성된 반사 미러 디바이스를 이용하여 램프형 광원에서 출사된 광의 적어도 일부 발산 방향을 조절하여, 조명 광학계와 다른 광학부품과의 매칭 효율을 높여, 광효율을 높일 수 있으므로 고효율 조명 광학계 및 고효율 프로젝션 타입 화상 표시장치를 실현할 수 있다.

Claims (17)

1. 램프형 광원과;

   적어도 일부 영역에 이중 반사 미러 어레이가 형성되어, 상기 램프형 광원에서 출사된 광의 적어도 일부의 발산 방향을 조절하여 광효율을 높일 수 있도록 된 반사 미러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
2. 제1항에 있어서, 상기 반사 미러는, 회전 방향으로 제1 내지 제4반사영역이 배치되어 있으며, 제1 및 제3반사영역 또는 제2 및 제4반사영역에 이중 반사 미러 어레이가 형성된 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
3. 제2항에 있어서, 상기 반사 미러는 상기 램프형 광원쪽에서 출사된 광의 발산 방향을 조절하여 타원형 또는 타원형에 가까운 광이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
4. 제1항에 있어서, 상기 반사 미러는 상기 램프형 광원쪽에서 출사된 광의 발산 방향을 조절하여 타원형 또는 타원형에 가까운 광이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이중 반사 미러 어레이의미러면 각도는 45도인 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
6. 램프형 광원과, 적어도 일부 영역에 이중 반사 미러 어레이가 형성되어, 상기 램프형 광원에서 출사된 광의 적어도 일부의 발산 방향을 조절하여 광효율을 높일 수 있도록 된 반사 미러를 포함하는 조명 광학계와;

   상기 광원으로부터 출사되고 상기 반사 미러에 의해 반사되어 조사되는 광을 입력된 화상신호에 따라 화소 단위로 제어하여 화상을 형성하는 라이트 밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상 표시장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 반사 미러는, 회전 방향으로 제1 내지 제4반사영역이 배치되어 있으며, 제1 및 제3반사영역 또는 제2 및 제4반사영역에 이중 반사 미러 어레이가 형성된 것을 특징으로 하는 화상 표시장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 반사 미러는 상기 램프형 광원쪽에서 출사된 광의 발산 방향을 조절하여 타원형 또는 타원형에 가까운 광이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 화상 표시장치.
9. 제6항에 있어서, 상기 반사 미러는 상기 램프형 광원쪽에서 출사된 광의 발산 방향을 조절하여 타원형 또는 타원형에 가까운 광이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 화상 표시장치.
10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이중 반사 미러 어레이의 미러면 각도는 45도인 것을 특징으로 하는 화상 표시장치.
11. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 미러 디바이스와 라이트 밸브 사이에 광혼합 디바이스와 릴레이 렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 화상 표시장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 광혼합 디바이스는 글래스 로드이고,

    상기 반사 미러 디바이스를 경유한 광을 집속하여 상기 글래스 로드로 입력되도록 하는 집속렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 화상 표시장치.
13. 제11항에 있어서, 상기 광혼합 디바이스는 2매의 파리눈 렌즈인 것을 특징으로 하는 화상 표시장치.
14. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 램프형 광원에서 출사된 광을 파장에 따라 분리하는 색광 분리기;를 더 구비하여, 상기 칼라 화상을 형성하도록 된 것을 특징으로 하는 화상 표시장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 색광 분리기는 적어도 3개 이상의 이색 필터로 이루어지고,

    회전시 렌즈 어레이의 직선운동 효과를 낼 수 있도록 렌즈셀 어레이가 나선형으로 형성되어 스크롤링 작용을 하도록 된 스파이럴 렌즈;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 화상 표시장치.
16. 제15항에 있어서, 상기 스파이럴 렌즈와 라이트 밸브 사이에는 상기 스파이럴 렌즈를 경유한 광이 상기 스파이럴 렌즈의 렌즈셀에 대해 1:1 대응되게 전송되도록 제1 및 제2파리눈 렌즈;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 화상 표시장치.
17. 제16항에 있어서, 상기 제2파리눈 렌즈와 라이트 밸브 사이에 상기 제2파리눈 렌즈를 통과한 광을 상기 라이트 밸브 상에 칼라에 따라 구분되게 집속하기 위한 릴레이 렌즈;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 화상 표시장치.